Efectul fotoelectric extern

Heinrich Hertz, n 1887, a constatat c descrcarea electric dintre dou sfere se produce mai uor dac are loc n prezena luminii ultraviolete.

Wilhelm Hallwachs, n 1888 constat c placa de zinc pus la un electroscop i supus aciunii radiaiilor ultraviolete:se descarc dac iniial era ncrcat negativse ncarc pozitiv dac iniial era neutrZn UVElectroscop

Din acest experiment Hallwachs a tras concluzia c sub aciunea radiaiilor ultraviolete placa de zinc emite particule ncrcate negativ numite electronirmne nccat pozitiv, dac iniial era ncrcat pozitiv, dar foia electroscopului deviaz mai mult

Emisia electronilor de ctre un corp aflat sub aciunea radiaiilor electromagnetice se numete efect fotoelectric externhttp://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric

Efectul fotoelectric a fost studiat experimental de Phillip Lenard, iar n 1905 primete premiul Nobel pentru descoperirea legilor efectului fotoelectric.

Dispozitivul experimental

Schema electric

Caracteristica curent-tensiuneMeninnd constante frecvena i fluxul radiaiilor, intensitatea curentului variaz cu tensiunea electric aplicat ntre electrozidac tensiunea ntre electrozi este zero, curentul fotoelectric este diferit de zero I = I0 , deoarece cei mai rapizi electroni ajung la anoddac ntre electrozi se aplic o tensiune legnd borna pozitiv a bateriei la anod i borna negativ la catod, intensitatea curentului crete odat cu tensiunea. Cnd toi electronii emii ajung la anod se obine curentul de saturaie ISdac ntre electrozi se aplic o tensiune legnd borna pozitiv a bateriei la catod i borna negativ la anod, intensitatea curentului scade odat cu tensiunea i devine zero pentru tensiunea de stopare US

Legile efectului fotoelectricPrima lege a efectului fotoelectric:Intensitatea curentului fotoelectric de saturaie este direct proporional cu fluxul radiaiilor electromagnetice incidente, cnd frecvena este constantSe trimite pe catod, pe rnd,fascicule de radiaii de aceeai frecven i fluxuri 1, 2, 3 , apoi se construiete caracteristica curent - tensiuneIUUS IS 1IS 2IS 3IIIIII3 > 2 > 1

Se modific frecvena radiaiilor incidente schimbnd filtrul , se msoar pentru fiecare frecven, tensiunea de stopare US i se calculeaz energia cinetic maxim pentru orice valoare a fluxului incidentA doua lege a efectului fotoelectric:0ECmaxEnergia cinetic maxim a fotoelectronilor emii crete liniar cu frecvena radiaiilor i nu depinde de fluxul acestora

Se repet experimentul pentru catozi din materiale diferite01020304ECmaxKNaZnWA treia lege a efectului fotoelectric:Efectul fotoelectric extern se poate produce numai dac frecvena radiaiei incidente este mai mare sau cel puin egal cu o valoare specific fiecrei substane, numit frecven de pragA patra lege a efectului fotoelectric:Efectul fotoelectric extern se produce practic instantaneu

Efectul fotoelectric a fost explicat de Einstein n 1905, cu ajutorul teoriei cuantelor.Einstein primete premiul Nobel pentru fizic n 1921, pentru explicarea efectului fotoelectric.Energia unei cuante:E = hh = 6,625 10 -34 Js, constanta lui Planck - frecvena radiaiei

Mrimi caracteristice fotonuluiMrimea caracteristicFormula matematicEnergia E = hMasa de repausm0 = 0Masa de micareViteza v = c = 3 108 m/sImpulsul Sarcina electricq = 0

Explicarea legilor Einstein consider c n efectul fotoelectric un foton incident este absorbit de un electron din interiorul corpului, cruia i cedeaz ntreaga sa energieEcuaia lui Einstein:h - energia fotonului incidentL lucrul mecanic de extracie necesar extragerii electronului din corpAplicnd legea conservrii energiei se obine:- energia cinetic a fotoelectronului extras

Legea nti:Creterea fluxului radiaiilor monocromatice incidente are loc atunci cnd crete numrul fotonilor incideni. Mrirea numrului de fotoni conduce la creterea numrului de electroni extrai i, implicit la creterea intensitii curentului fotoelectric de saturaieLegea a doua:Din ecuaia lui Einstein:adic energia cinetic a electronilor extrai variaz liniar cu frecvena radiaiilor incidenteLegea a treia:Dac frecvena radiaiilor incidente scade atunci scade energia fotonilor incideni, micorndu-se i energia cinetic a fotoelectronilor emiiPentru o frecven 0 (frecven de prag) energia cinetic fotoelectronilor este nul, iar lucrul mecanic de extracie este: L = h0Pentru frecvena < 0 efectul fotoelectric nu mai este posibilLegea a patra:Interaciunea dintre un foton i un electron producndu-se ntr-un interval de timp neglijabil 10-9 s, efectul fotoelectric se produce aproape instantaneu

Aplicaiile efectului fotoelectric

Celula fotoelectricfiltruanod circularsurs de lumincatodPri componentetub de sticl

, Aplicaiile celulei fotoelectriceBariere opticeDispozitive de protecie optoelectrice pentru monitorizarea accesului n zone periculoase

Senzori de lumin pentru deschiderea i nchiderea automat a uilor i copertinei

Senzori de lumin pentru deschiderea i nchiderea automat a luminii

Senzori de lumin pentru recunoaterea obiectelor

Fotomultiplicatorul

Prof. Elena Rducanu, Colegiul Naional Bnean,TimioaraPri componente

Prof. Elena Rducanu, Colegiul Naional Bnean,TimioaraSchema electric

Detector de scintilaii cu fotomultiplicator Fotomultiplicatorul detecteaz radiaii de intensitate foarte mic